超强激光单能质子加速研究

超强激光脉冲与等离子体相互作用中产生的高能质子束在快点火、等离子体诊断、肿瘤治疗等方面具有光明的应用前景。为实现这些可能的应用，当前急待解决的问题是如何产生能量从数十MeV至数百MeV、能谱展宽小于20%的高性能质子束。本项目将通过多维Particle-in-cell粒子模拟程序以及大型超强激光装置（SILEX-I装置与星光III装置）对超强激光单能质子加速进行理论模拟和实验研究，通过锥形双层靶设计和高对比度超强激光超薄靶相互作用两种方案最终实验获得能量为数十MeV、能谱展宽小于20%的高性能质子束，从而解决基于超强激光产生的质子束在应用方面所面临的瓶颈问题。

超强激光质子加速是超高功率激光的重要应用之一。随着啁啾脉冲放大等超高功率激光技术的发展，激光脉冲输出功率不断提升，对超强激光质子加速的研究也日益发展。当前影响超强激光质子加速应用的问题主要有以下两点：一是如何改善质子束的能谱分布，以获得单能性较好的质子束；二是如何尽可能地提高单个质子能量以及激光-质子整体转换效率。本项目中我们利用PIC粒子模拟程序和星光III激光装置开展了超强激光准单能质子束产生研究。（1）提出了一种提高超强激光等离子体相互作用加速质子能量的靶设计，并用2维PIC粒子模拟程序进行了验证。与通常的平面双层靶相比，锥型双层靶可将质子束的能量提高约3倍。（2）提出了一种利用超强激光与锥台靶相互作用以获得质子束点源的方法，并利用2维PIC粒子模拟程序进行了模拟。模拟中我们获得了直径0.79λ0，平均能量9.1MeV，能散小于35%的高性能质子束。（3）提出了一种纳米刷靶的靶设计以提高激光-质子转换效率并使用2维PIC粒子模拟程序进行了验证。与平面靶相比，纳米结构靶使得靶背表面的鞘电场强度提高了近100%，激光-质子能量转换效率提高了约70%。此外，质子发散角小于30°。（4）提出了一种锥形纳米结构靶设计以提高超强激光到前向超热电子的转换效率并利用2维PIC粒子模拟程序进行了模拟。与平面纳米结构靶相比，激光-前向超热电子的转换效率从34%提高到了68%。此外，锥形纳米结构靶可更好地准直超热电子。（5）提出了一种利用锥形纳米刷靶提高超强激光质子加速中质子转换效率的方法并用2维PIC粒子模拟程序进行了模拟。我们观察到了激光质子能量转换效率提高了105%。这样的提高来自靶的纳米结构与锥形设计的贡献。质子束的发散角小于28°。（6）设计了双锥靶构型来研究强激光加速准单能的质子束，并用二维PIC 粒子模拟程序进行了验证。结果表明：与平面靶相比，锥靶对激光场聚焦效应明显增强激光到超热电子的耦合效率，双锥靶中临界密度材料的内锥可以进一步增强激光的吸收效率。在相同的激光参数条件下，强激光与双锥靶作用加速的质子峰值能量比平面靶提高了5倍以上，并且能很好保持准单能性和较小的发射角。（7）在星光III激光装置上开展了皮秒拍瓦激光与平面靶和低密度泡沫靶相互作用产生高能质子束的实验研究，获得了最高13.5MeV的质子束，证实了合适厚度的泡沫靶可以有效的提高靶背加速质子的截止能量。